JP2005173324A

JP2005173324A - カラーフィルタの製造方法

Info

Publication number: JP2005173324A
Application number: JP2003414671A
Authority: JP
Inventors: Masaya Sugano; 真哉菅野; Teruhiko Kai; 輝彦甲斐; Ryuichi Nakamura; 隆一中村
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2003-12-12
Filing date: 2003-12-12
Publication date: 2005-06-30

Abstract

【課題】隔壁で囲まれた画素領域内にインクを付与する際に、隣接する画素間での混色を防止し、且つ領域内での白抜け、色ムラのない画素を形成することのできるカラーフィルタの製造方法を提供すること。
【解決手段】ブラックマトリクス２の開口部にインクジェット方式により硬化型インクを付与し、硬化型インクを硬化させて着色部を形成する際に、予めブラックマトリクスの開口部の透明基板１表面とブラックマトリクス側壁を親インク性とした後、インクジェット方式により硬化型インクを付与すること。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解放射型表示装置、蛍光表示装置、プラズマディスプレイ、及び液晶表示装置などの表示装置用のカラーフィルタに関し、特にインクジェット方式を利用したカラーフィルタの製造方法に関する。

近年、主としてコストダウンを目的として、インクジェット方式を利用したカラーフィルタの製造方法が検討されている。

インクジェット方式を用いたカラーフィルタの製造方法として、ガラス基板上にブラックマトリクスを形成し、インクジェット記録装置を用いて該ブラックマトリクスの開口部にインクを付与して着色画素を形成する方法が提案されている。さらに、この方法において、インクが所定の開口部に良好に充填されて隣接する着色画素間でインクが混じり合う混色が発生しないように、ブラックマトリクスの構成材料として、インクに濡れにくく、インクをはじきやすいものが検討されている。

例えば、着色画素間における混色防止方法として、ブラックマトリクス上にブラックマトリクスとほぼ同じ大きさの撥インク性の大きなシリコーンゴムパターンを形成し、インクジェット法あるいは印刷法における混色を防止するという方法がある（特許文献１参照）。

しかしながら、上記の方法は隔壁を多層化するものであり、フォトリソグラフィ工程を複数回実施する必要があることから、プロセスの複雑化、コストアップ、ひいては歩留まり低下を招くという問題がある。

また、その他の方法として、インクに対して２０°以上の接触角を有する材料を用いてブラックマトリクスを形成し、その開口部にインクを付与する方法が提案されている（特許文献２参照）。また、ブラックマトリクス材料として、水に対して４０°以上の接触角を有する材料が提案されている（特許文献３参照）。

さらに、基板、インク、ブラックマトリクスの各材料の臨界表面張力を、基板面＞インク＞ブラックマトリクス面とし、ブラックマトリクス面＜３５ｄｙｎｅ／ｃｍ、基板面≧３５ｄｙｎｅ／ｃｍ、インクは両者から５ｄｙｎｅ／ｃｍ以上の差を有するように設定することが提案されている（特許文献４参照）。これらの例では、いずれもブラックマトリクスの材料として、撥インク性を持たせるために、フッ素化合物やケイ素化合物といった撥水剤を含ませる方法である。

しかしながら、上記の方法のように、ブラックマトリクスに撥水剤であるフッ素化合物やケイ素化合物を含有させると、ブラックマトリクス形成工程の最終工程であるポストベーク（本硬化）の際に、ブラックマトリクス材料中の撥水剤が蒸発し、ブラックマトリクス開口部に露出したガラス基板表面に薄く付着する。また、撥水剤を用いていない場合であっても、ブラックマトリクス材料中の低分子の有機物が蒸発し、同様にガラス基板表面に付着する。いずれの場合もガラス基板表面が撥インク性を示すようになり、ブラックマトリクスの開口部にインクを付与した際に、ガラス基板表面とインクとの付着性が悪くなり、開口部内にインクが均一に拡がらず、白抜けや色ムラを発生する恐れがある。
特開平４−１２３００５号公報特開平７−３５９１７号公報特開平７−３５９１５号公報特開平６−３４７６３７号公報

本発明は、インクジェット方式を利用して簡易なプロセスで安価に製造するカラーフィルタの製造方法において、隔壁で囲まれた画素領域内にインクを付与する際に、隣接する画素間での混色を防止し、且つ領域内での白抜け、色ムラのない画素を形成することのできるカラーフィルタの製造方法を提供することを課題とする。

本発明は、透明基板上に樹脂製のブラックマトリクスと該ブラックマトリクスの開口部に形成された着色画素とを少なくとも有するカラーフィルタの製造方法において、上記ブラックマトリクスの開口部にインクジェット方式により硬化型インクを付与し、該硬化型インクを硬化させて着色画素を形成する際に、予め少なくとも上記ブラックマトリクスの開口部に被膜を形成し、開口部の透明基板表面とブラックマトリクス側壁を親インク性とした後、インクジェット方式により硬化型インクを付与することを特徴とするカラーフィルタの製造方法である。

また、本発明は、上記発明によるカラーフィルタの製造方法において、前記被膜が透明樹脂から成ることを特徴とするカラーフィルタの製造方法である。

また、本発明は、上記発明によるカラーフィルタの製造方法において、前記透明樹脂を溶媒で希釈した塗液が、ブラックマトリクスに対して濡れ性が良く、且つ、固形分の含有量が塗液全重量１００％に対し５重量％以下であることを特徴とするカラーフィルタの製造方法である。

また、本発明は、上記発明によるカラーフィルタの製造方法において、前記被膜がカップリング剤から成ることを特徴とするカラーフィルタの製造方法である。

また、本発明は、上記発明によるカラーフィルタの製造方法において、前記ブラックマトリクスが、撥インク性を示すことを特徴とするカラーフィルタの製造方法である。

また、本発明は、上記発明によるカラーフィルタの製造方法において、前記透明樹脂、又はカップリング剤をインクジェット法によりブラックマトリクス開口部に付与することを特徴とするカラーフィルタの製造方法である。

本発明によれば、ブラックマトリクス開口部、すなわち、ガラス基板表面とブラックマトリクス側壁を親インキ性の透明樹脂薄膜で覆うことにより、領域内でのインクの濡れ広がりが向上し、またインク膜厚が均一になり、白抜けのない、濃度バランスに優れた着色画素を有するカラーフィルタを提供することができる。

以下に、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１は、本発明によるカラーフィルタの製造方法を説明する工程図である。図１（ａ）は、透明基板１にブラックマトリクス２が形成された状態を示したものである。まず、ブラックマトリクス２の開口部、すなわち、透明基板表面及びブラックマトリクス側面を覆う親インク性の被膜３を形成する（図１（ｂ））。次いで、この被膜で覆われた開口部に対して、インクジェット法により赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の着色インク４を吐出し（図１（ｃ））、インク乾燥、硬化を経てカラーフィルタを得る（図１（ｄ））。

本発明に用いる透明基板１は一般にガラス基板が用いられるが、液晶表示装置等、最終的な用途に必要な特性、例えば、透明性、機械的強度等を満足し、後工程に耐えるものであればガラス基板に限定されるものではなく、たとえばＰＥＴ、ＰＥＳ、ＰＥＮ等のプラスチック基板なども用いることができる。

本発明におけるブラックマトリクス２は樹脂（光重合性モノマー、光重合開始剤含む）、黒色遮光材、分散剤、溶媒等を主成分とする黒色の感光性樹脂組成物を用い、フォトリソグラフィ法によりパターニングして形成する。また、ブラックマトリクス２の形成方法としては、フォトリソグラフィ法に限定されるものではなく、例えば、熱転写法等によっても形成することが可能である。

本発明におけるブラックマトリクス２の黒色遮光材としては、黒色顔料、黒色染料、無機材料などであり、有機顔料、カーボンブラック、アニリンブラック、黒鉛、酸化チタン、鉄黒などを混合して用いられるものである。

また、本発明におけるブラックマトリクス２の分散剤としては、非イオン性界面活性剤では、例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテルなど、また、イオン性界面活性剤では、例えば、アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウム、ポリ脂肪酸塩、脂肪酸塩アルキルリン酸塩、テトラアルキルアンモニウム塩など、その他に有機顔料誘導体、ポリエステルなどが挙げられる。分散剤は単独で使用してもよく、また二種類以上を混合して使用してもよい。

また、本発明におけるブラックマトリクス2の溶媒としては、黒色樹脂組成物の塗布性、分散安定性などの点から、適宜選択して使用されるものであり、トルエン、キシレン、エチルセロソルブ、エチルセロソルブアセテート、ジクライム、シクロヘキサノンなどが挙げられる。

また、ブラックマトリクス２には撥インク成分を添加して撥インク性を高めておくことが望ましい。具体的な例としては、主鎖または側鎖に有機シリコーンを有するもので、シロキサン成分を含むシリコーン樹脂やシリコーンゴム、この他にはフッ化ビニリデン、フッ化ビニル、三フッ化エチレン等や、これらの共重合体等のフッ素樹脂などを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。

ブラックマトリクス２に撥インク性を付与することにより、隔壁となるブラックマトリクスを超えてインクがあふれてしまうことを防止し、隣接する着色画素間での混色を防止することができる。

一般にブラックマトリクスに撥インク性を付与する場合、側壁の撥インク性や開口部の汚染によりインクが十分に拡散しなかったり（白抜け）、乾燥後の膜厚が領域内で均一にならず、色ムラを引き起こしてしまうことがある。しかし、本発明によるとブラックマトリクスの開口部は全て親インク性の被膜で覆われる為、インクが十分に拡散し、且つ領域内のインク膜厚が均等になり、良好な画素が得られるものである。

さらに、インクの混色を完全に防止する為には、隔壁となるブラックマトリクス２自身の撥インク性を高める為だけでなく、隔壁の厚みを増加させることも有効である。そのため、隔壁の厚みとしては、１μｍ以上あったほうが望ましい。

本発明における親インク性の被膜材料の一つとして、透明樹脂を用いることが挙げられる。

図２（ａ）に、ブラックマトリクス開口部に、透明樹脂により親インク性の被膜３を形成した状態の第一例を説明する模式断面図を示す。図２（ｂ）は同じく第二例を説明する模式断面図である。

図２（ａ）は、ブラックマトリクスに対して、濡れ性の良くない透明樹脂塗液を使用した場合を示した図である。両者の濡れ性が良くない場合、乾燥した透明樹脂は開口部を覆うことなくレンズ状になる。これに対し、透明基板表面とブラックマトリクス側壁に対して濡れ性の良い透明樹脂塗液を使用した場合には、図２（ｂ）に示すように透明樹脂はブラックマトリクス開口部を覆う被膜を形成する。よって、透明樹脂塗液はブラックマトリクスに対して濡れ性の良いことが望ましい。

さらに、この透明樹脂から成る薄膜で覆われたブラックマトリクス開口部にインクを付与して画素を形成することを考慮すると、この薄膜は薄いほうが良い。すなわち固形分の含有量が５重量％以下であることが望ましい。５重量％以上であると薄膜の厚みの為に、開口部にインクを付与した際に、画素の高さが隔壁の高さを超える可能性があり、全体の平坦性が悪くなる。

透明樹脂塗液の塗布方法としては、インクジェット法、印刷法、スピンコート法等を用いることができる。いずれの塗布方法においても、ブラックマトリクス上面が撥インク性であるため、樹脂は所定の開口部に良好に充填される。またブラックマトリクス上面は、透明樹脂で覆われない為、上面の撥インク性は損なわれず、したがってインクジェット法により着色インクを吐出する際にも混色を防ぐものである。

本発明における透明樹脂としては、カゼイン、ゼラチン、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルアセタール、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、メラニン樹脂などが用いられ、特に、着色インクに対して２０°以下の接触角を持つ透明樹脂が好ましい。またこれらの透明樹脂は主に熱エネルギーにより硬化させる。

本発明における透明樹脂を希釈する溶媒種としては、塗布方法が印刷法やスピンコート法である場合、たとえばトルエン、キシレン、エチルセロソルブ、エチルセロソルブアセテート、ジクライム、シクロヘキサノン等が挙げられるが、これらに限定されるものではなく、塗布性、分散安定性などから適宜選択して使用されるものである。

また、透明樹脂塗液をインクジェット法で付与する場合、インクジェット印刷における適性の表面張力の範囲は３５ｍＮ／ｍ以下で、且つ、沸点が１３０℃以上のものが好ましい。表面張力が３５ｍＮ／ｍ以上であるとインクジェット吐出時のドット形状の安定性に著しい悪影響を及ぼし、また、沸点が１３０℃以下であるとノズル近傍での乾燥性が著しく高くなり、その結果、ノズル詰まり等の不良発生を招くので好ましくない。

具体的には、2-メトキシエタノール、2-エトキシエタノール、2-ブトキシエタノール、2-エトキシエチルアセテート、2-ブトキシエチルアセテート、2-メトキシエチルアセテート、2-エトキシエチルエーテル、2-（2-エトキシエトキシ）エタノール、2-（2-ブトキシエトキシ）エタノール、2-（2-エトキシエトキシ）エチルアセテート、2-（2-ブトキシエ
トキシ）エチルアセテート、2-フェノキシエタノール、ジエチレングリコールジメチルエーテルなどを挙げることができるが、これらに限定されるものではなく、上記要件を満たす溶剤なら用いることができる。また、必要に応じて２種類以上の溶剤を混合して用いても構わない。

また本発明における親インク性被膜の形成材料としては、透明樹脂によるものとは限らない。例えば、ビニル系シランカップリング剤、エポキシ系シランカップリング剤、メタクリル系シランカップリング剤、アミノ系シランカップリング剤、メルカプト系シランカップリング剤、スルフィド系シランカップリング剤等のシランカップリング剤やチタネート系、アルミネート系、クロム系のカップリング剤を用いて開口部に被膜を形成しても良い。

例えば、シランカップリング剤を基板に付与した場合、ガラス基板面では、親油性基が表層にある為、インクとの濡れ性が上がる。一方、樹脂ブラックマトリクス面では親水基が表層にある為インクとの濡れ性が下がる。この効果により、ブラックマトリクス開口部でインクが均一に拡がり、良好な画素を得られるものである。

本発明における着色インクの材料としては、色素と樹脂と溶媒を主成分としたものである。色素としては染料や顔料などが用いられる。樹脂としては、カゼイン、ゼラチン、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルアセタール、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、メラニン樹脂などが用いられ、色素との関係にて適宜選択されるものである。耐熱性や耐光性が要求される際には、アクリル樹脂が好ましい。

着色インクに使用する溶剤種としては、インクジェット印刷における適性の表面張力の範囲は３５ｍＮ／ｍ以下で、且つ、沸点が１３０℃以上のものが好ましい。表面張力が３５ｍＮ／ｍ以上であるとインクジェット吐出時のドット形状の安定性に著しい悪影響を及ぼし、また、沸点が１３０℃以下であるとノズル近傍での乾燥性が著しく高くなり、その結果、ノズル詰まり等の不良発生を招くので好ましくない。

具体的には、2-メトキシエタノール、2-エトキシエタノール、2-ブトキシエタノール、2-エトキシエチルアセテート、2-ブトキシエチルアセテート、2-メトキシエチルアセテート、2-エトキシエチルエーテル、2-（2-エトキシエトキシ）エタノール、2-（2-ブトキシエトキシ）エタノール、2-（2-エトキシエトキシ）エチルアセテート、2-（2-ブトキシエトキシ）エチルアセテート、2-フェノキシエタノール、ジエチレングリコールジメチルエーテルなどを挙げることができるが、これらに限定されるものではなく、上記要件を満たす溶剤なら用いることができる。また、必要に応じて2種類以上の溶剤を混合して用いても構わない。

また、樹脂への色素の分散を向上させる為に分散剤を用いてもよく、分散剤として、非イオン性界面活性剤では、例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテルなど、またイオン性界面活性剤では、例えば、アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウム、ポリ脂肪酸塩、脂肪酸塩アルキルリン酸塩、テトラアルキルアンモニウム塩など、その他に有機顔料誘導体、ポリエステルなどがあげられる。分散剤は単独で使用してもよく、また二種類以上を混合して使用しても良い。溶媒としては溶解性の他に経時安定性、乾燥性などが要求され、色素、樹脂との関係にて適宜選択されるものである。

また、本発明により形成されるカラーフィルタは画素形成後、その耐性向上を目的として、熱、光、電子線等のエネルギーによる硬化処理が可能である。

以下に本発明の実施例を具体的に説明する。
（ブラックマトリクスの形成）
無アルカリガラス（コーニング社製「＃１７３７」）上にカーボンブラックを含有したレジスト材（新日鉄化学（株）製ブラックマトリクス用ネガ型レジストインキ「Ｖ−２５９ＢＫ７３９Ｐ」）に感光性シリコン化合物としてジメチルポリシランを１０％添加したものを膜厚１．５μｍとなるようにスピンコートし、プリベークをおこなった。その後、露光、現像、ポストベーク処理をおこなってブラックマトリクスを形成した。
（親インキ性透明樹脂溶液の調製、塗布）
メタクリル酸２０部、メチルメタクリレート１０部、ブチルメタクリレート５５部、ヒドロキシエチルメタクリレート１５部を乳酸ブチル３００ｇに溶解し、窒素雰囲気下でアゾビスイソブチルニトリル０．７５部を加え７０℃にて５時間の反応によりアクリル共重合樹脂を得た。得られたアクリル共重合樹脂を樹脂濃度が５重量％になるようにプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートで希釈し、粘度が１０ｃｐｓのアクリル共重合樹脂の希釈液とした。

上記ブラックマトリクスの開口部に、上記アクリル共重合樹脂希釈液を１２ｐｌ、１８０ｄｐｉヘッドを搭載したインクジェット印刷装置により付与した。２００℃で３０分乾燥させ、ブラックマトリクス開口部と側面を覆う親インキ性透明樹脂の薄膜を得た。
（着色インクの調製）
メタクリル酸２０部、メチルメタクリレート１０部、ブチルメタクリレート５５部、ヒドロキシエチルメタクリレート１５部を乳酸ブチル３００ｇに溶解し、窒素雰囲気下でアゾビスイソブチルニトリル０．７５部を加え７０℃にて５時間の反応によりアクリル共重合樹脂を得た。得られたアクリル共重合樹脂を樹脂濃度が１０％になるようにプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートで希釈しアクリル共重合樹脂の希釈液とした。この希釈液８０．１ｇに対し、顔料１９．９ｇ、分散剤０．９ｇを添加して、３本ロールにて混練し、赤色、緑色、青色の各着色ワニスを得た。この各着色ワニスをプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートで顔料濃度が１２〜１５％、粘度が１５ｃｐｓになるように調整し、Ｒ、Ｇ、Ｂ着色インクを得た。
（カラーフィルタの作製）
上記、開口部のガラス基板表面とブラックマトリクス側壁を親インキ性の透明樹脂薄膜で覆ったブラックマトリクス開口部に対して、上記Ｒ、Ｇ、Ｂ各色の着色インクを使用し、１２ｐｌ、１８０ｄｐｉヘッドを搭載したインクジェット印刷装置により、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）各々の着色画素を形成した。

このようにして作製されたカラーフィルタを観察したところ、混色は確認されなかった。また、各画素とも領域内に均一にインクが濡れ広がり、膜厚も均一で色差がΔＥ_ab３以下と良好で信頼性の高いカラーフィルタが作製できた。

実施例１の親インキ性透明樹脂の塗布工程において、スピンコート法により透明樹脂の塗布をおこなった。その他は全て実施例１と同様の方法でおこなった。このようにして作製されたカラーフィルタを観察したところ、混色は確認されなかった。また、各画素とも領域内に均一にインクが濡れ広がり、膜厚も均一で色差がΔＥ_ab３以下と良好で信頼性の高いカラーフィルタが作製できた。

実施例１の親インキ性透明樹脂の塗布をおこなわず、ブラックマトリクス開口部に対して、直接、インクジェット印刷装置により、着色インクの塗布をおこなった。

このようにして作製されたカラーフィルタを観察したところ、混色は確認されなかった
が、領域内でインクが均一に濡れ広がらない部分があった。また、ブラックマトリクス側面との境界面でインクの膜厚が薄くなるため、色ムラが大きく、色差がΔＥ_ab１０以上であった。

本発明に係わるカラーフィルタの製造法の一実施形態の説明図である。本発明に係わる親インク性の被膜の濡れ性による乾燥後の形状の違いを示した説明図である。

符号の説明

１・・・透明基板
２・・・ブラックマトリクス
３・・・親インク性の被膜
４・・・インク
５・・・着色画素

Claims

透明基板上に樹脂製のブラックマトリクスと該ブラックマトリクスの開口部に形成された着色画素とを少なくとも有するカラーフィルタの製造方法において、上記ブラックマトリクスの開口部にインクジェット方式により硬化型インクを付与し、該硬化型インクを硬化させて着色画素を形成する際に、予め少なくとも上記ブラックマトリクスの開口部に被膜を形成し、開口部の透明基板表面とブラックマトリクス側壁を親インク性とした後、インクジェット方式により硬化型インクを付与することを特徴とするカラーフィルタの製造方法。
前記被膜が透明樹脂から成ることを特徴とする請求項１に記載のカラーフィルタの製造方法。
前記透明樹脂を溶媒で希釈した塗液が、ブラックマトリクスに対して濡れ性が良く、且つ、固形分の含有量が塗液全重量１００％に対し５重量％以下であることを特徴とする請求項２に記載のカラーフィルタの製造方法。
前記被膜がカップリング剤から成ることを特徴とする請求項１に記載のカラーフィルタの製造方法。
前記ブラックマトリクスが、撥インク性を示すことを特徴とする請求項１、２、３、又は４に記載のカラーフィルタの製造方法。
前記透明樹脂、又はカップリング剤をインクジェット法によりブラックマトリクス開口部に付与することを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載のカラーフィルタの製造方法。